Daten speichern in der fünften Dimension

Potenzieller Nachfolger für die DVD nutzt verschiedene Wellenlängen und Polarisation des Lichts 

Hawthorn (Australien) – In zwei Flächen können sich heute BluRay-Scheiben etwa 50 Gigabyte Daten merken. Durch die Nutzung von fünf statt zwei Dimensionen konnten nun australische Wissenschaftler die Datendichte nun um mehr als das 30-fache steigern. Damit sollen sich bereits in wenigen Jahren DVDs mit 1,6 Terabyte herstellen lassen. Die Technologie, die verschiedene Wellenlängen, eine Stapelung der Speicherschichten und die Polarisation des Lichts ausnutzt, präsentierten sie nun in der Zeitschrift "Nature".

Abb.: Prinzip der optischen Datenspeicher mit fünf Dimensionen: In einer einzigen Schicht können über verschiedene Wellenlängen und Polarisationsebenen des Lichts digitale Saten selektiv geschrieben und ausgelesen werden. (Bild: (c) James W. M. Chon)

"Diese zusätzlichen Dimensionen sind der Schlüssel für Datenträger mit einer extrem großen Kapazität", sagt Min Gu von der Swinburn University of Technology in Hawthorn. Diese Steigerung der Datenmenge machten Gu und seine Kollegen mit Nanostäbchen aus Gold möglich. Diese verteilten sie in einer Lösung aus Polyvinylalkohol, die über ein Spin-coating-Verfahren in einer etwa einen Mikrometer dünnen Schicht auf einem Glasträger erstarrte. Getrennt durch zehn Mikrometer, optisch transparente Lagen deponierten sie drei solcher Nanostäbchen-Schichten übereinander. Prinzipiell sollen sich mindestens zehn Speicherschichten übereinander stapeln lassen können.

Die kontrollierbare Ausrichtung der Nanostäbchen und deren variables Verhalten auf einfallendes Laserlicht bildet die Grundlage für die Datenspeicherung. Mit 100 Femtosekunden kurzen und exakt fokussierten Laserblitzen konnte das australische Team die Form der Nanostäbchen über einen photothermischen Prozess verändern. Abhängig von dieser Form variiert das Lumineszenz-Verhalten der Nanostäbchen beim Lesevorgang mit Laserpulsen der gleichen Wellenlänge und Polarisation. Um die mit den ersten Laserpulsen eingeprägten Daten nicht durch den Leseprozess zu zerstören, wählten die Forscher eine deutlich geringere Strahlungsintensität.

Die verschiedenen Goldpartikel haben nun die Eigenschaft, dass sie nur auf Laserblitze mit einer spezifischen Wellenlänge und Polarisation reagieren. In einer einzigen Datenschicht konnten daher mit drei Wellenlängen (700, 840, 980 nm) und den beiden Polarisationsebenen – horizontal und vertikal – sechs verschiedene Testbilder zugleich eingeprägt werden. Über die Fokussierung der Laserpulse ließ sich zudem gezielt je eine der insgesamt drei Datenschichten in dem Labormuster beschreiben und auslesen. Durch die scharf abgegrenzten Resonanz dieser optischen Anregung der Nanostäbchen konnten Störeffekte (cross-talk) vermieden werden.

Allein mit drei datentragenden Schichten erzielten die Forscher eine Speicherdichte von 1,1 Terabyte pro Kubikzentimeter. Extrapoliert auf die Größe einer handelsüblichen DVD ergibt sich eine Kapazität von 1,6 Terabyte pro Datenträger. Werden noch mehr dieser Schichten übereinander gestapelt, halten die Forscher eine Steigerung auf bis zu 10 Terabyte pro Scheibe für möglich. Das entspricht dem Volumen von über 2000 normalen DVDs oder der gleichen Menge von Spielfilmen in HD-Qualität.

Trotz der Verwendung von Gold sollen sich die Materialkosten pro Datenscheibe nach Aussage der Forscher mit etwa vier Cent im Rahmen halten. Dennoch denken sie an einem Einsatz von Silber, um diese noch weiter senken zu können. Für die Entwicklung eines ersten Testlaufwerks arbeiten Gu und Kollegen bereits mit dem Elektronikkonzern Samsung zusammen. In fünf bis zehn Jahren rechnen sie mit der Marktreife dieser 5-dimensionalen optischen Speichertechnologie.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Zijlstra P. et al.: Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods. Nature, 459, 410, 2009
  http://dx.doi.org/10.1038/nature08053
• Swinburn University of Technology, Hawthorn:
  http://www.swinburne.edu.au/index.php 
• Centre for Micro-Photonics:
  http://www.swinburne.edu.au/feis/cmp//
  

Weiterführende Literatur:

• Pham, H. H., Gourevich, I., Oh, J. K., Jonkman, J. E. N. & Kumacheva, E.: A multidye nanostructured material for optical data storage and security data encryption. Adv. Mater. 16, 516–520 (2004)
• Li, X. P., Chon, J. W. M., Wu, S. H., Evans, R. A. & Gu, M.: Rewritable polarizationencoded multilayer data storage in 2,5-dimethyl-4-(p-nitrophenylazo)anisole doped polymer. Opt. Lett. 32, 277–279 (2007) 
• Strickler, J. & Webb, W.: Three-dimensional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation. Opt. Lett. 16, 1780–1782 (1991)

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